趙一衡，顧偉康，陳亞彬，曹 翔

(1.新疆電力工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 838000； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法綜述*

趙一衡1，顧偉康2，陳亞彬2，曹 翔2

(1.新疆電力工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 838000； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

由于受到傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件的限制，大電流開(kāi)關(guān)電源存在功率小、效率低等問(wèn)題，因此在對(duì)PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析后，利用AT89C52單片機(jī)的中斷方式輸出頻率和占空比可調(diào)的PWM脈沖，控制大功率開(kāi)關(guān)管GT40T101的通斷，從而實(shí)現(xiàn)以模擬繼電器的方式控制電路的通斷。通過(guò)搭建電路驗(yàn)證了PWM軟開(kāi)關(guān)在控制大功率電源方面的優(yōu)越性，對(duì)于實(shí)際的電氣工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

單片機(jī)；IGBT；模擬繼電器；人機(jī)交互系統(tǒng)

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)療、航空、家電、軍用等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)采用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，這不僅增加了成本和電機(jī)的體積和復(fù)雜程度，對(duì)安裝工藝也提出了很高的要求，而且在一些特殊場(chǎng)合如高溫高壓環(huán)境中，有位置傳感器會(huì)大大降低系統(tǒng)的可靠性。因此，無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

筆者分類(lèi)總結(jié)了無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法，詳細(xì)分析了各種有效的檢測(cè)手段，這對(duì)研究新方法和實(shí)踐應(yīng)用都具有指導(dǎo)意義。

1 反電勢(shì)法

反電勢(shì)法是目前最常用的一種轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)非導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)其做適當(dāng)?shù)奶幚砭涂梢垣@得轉(zhuǎn)子位置信息。按照對(duì)反電動(dòng)勢(shì)處理方法的不同，反電勢(shì)法可以分為反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法、反電勢(shì)積分法、反電勢(shì)三次諧波法和續(xù)流二極管法。

1.1 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法

無(wú)刷直流電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作模式下時(shí)，反電勢(shì)波形和電流波形如圖1所示。

圖1 BLDCM正常工作時(shí)反電勢(shì)和電流相位圖

由圖1可以看出，只要檢測(cè)各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，再延遲30°電角度即對(duì)應(yīng)換相時(shí)刻，這就是反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的原理。目前研究的重點(diǎn)在與如何獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)和如何保持相移角度不變。由于電機(jī)中性點(diǎn)一般不引出，因此反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)需要通過(guò)方法間接得到。

文獻(xiàn)[1]率先提出了反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的方法。文中首先用電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了虛擬中性點(diǎn)獲得相電壓，通過(guò)RC濾波電路產(chǎn)生30°的相移，再送到比較器產(chǎn)生換相信號(hào)。由于濾波電路所產(chǎn)生的相移與轉(zhuǎn)速有關(guān)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生換相誤差。文獻(xiàn)[2]利用開(kāi)關(guān)電容濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾波器，實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)轉(zhuǎn)速的固定延遲。文獻(xiàn)[3]采用超前90°換相方法，能對(duì)相位誤差實(shí)時(shí)修正，同時(shí)避免了計(jì)算機(jī)相位修正的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[4]提出了一種端電壓檢測(cè)方法，通過(guò)在上橋臂關(guān)斷時(shí)讀取非導(dǎo)通相的端電壓，然后和“0”比較來(lái)獲得換相點(diǎn)。這種方法不需要構(gòu)建虛擬中性點(diǎn)和濾波電路，但只適用于上橋臂調(diào)制，下橋臂恒通的方式，并且在占空比高時(shí)不能實(shí)現(xiàn)可靠的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了一種解決方案，當(dāng)占空比低時(shí)，在PWM關(guān)斷期間檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，比較器參考電壓為0V，當(dāng)占空比高時(shí)，則在PWM開(kāi)通期間檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，比較器參考電壓為Vdc/2。這種方法可以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)占空比運(yùn)行，拓寬了電機(jī)的調(diào)速范圍，但控制顯然更為復(fù)雜。

反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法師目前最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種無(wú)位置檢測(cè)方法。但這種方法也存在以下缺點(diǎn)：

(1) 反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，在轉(zhuǎn)速很低甚至為零時(shí)不能通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)來(lái)得到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，故這種方法限制了電機(jī)的調(diào)速范圍，起動(dòng)困難。

(2) 續(xù)流二極管續(xù)流時(shí)產(chǎn)生的電壓脈沖可能會(huì)淹沒(méi)反電勢(shì)信號(hào)，尤其在高速、重載情況下更為嚴(yán)重，可能使得反電勢(shì)法無(wú)法檢測(cè)。

1.2 反電勢(shì)積分法

反電勢(shì)積分法是在過(guò)零時(shí)刻開(kāi)始對(duì)非導(dǎo)通相反電勢(shì)進(jìn)行積分，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而確定換相時(shí)刻的方法。反電勢(shì)積分結(jié)果與反電勢(shì)波形有關(guān)而與電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，通過(guò)調(diào)整閾值大小可以實(shí)現(xiàn)超前或滯后換相。但該方法也有以下缺點(diǎn)。

(1) 積分引起的累積誤差會(huì)影響系統(tǒng)低速時(shí)的運(yùn)行性能。

(2) 不同型號(hào)的電機(jī)具有的反電勢(shì)波形不可能完全一樣，導(dǎo)致閾值的大小不具有通用性。

1.3 反電勢(shì)三次諧波法

對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，定子繞組反電勢(shì)為梯形波。該梯形波經(jīng)Fourier級(jí)數(shù)分解后，除基波外還含有大量豐富的高次諧波。其中三次諧波分量占的比例最高，其他高次諧波含量與三次諧波分量相比幅值很小可以忽略。三次諧波分量的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)基波分量的120°電角度，其相鄰兩次過(guò)零點(diǎn)間隔60°電角度，正好與電機(jī)相鄰兩換相點(diǎn)的時(shí)間間隔相等，只是相位相差90°電角度。因此，將反電勢(shì)的三次諧波分量移相90°電角度以后，得到的信號(hào)就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，其每個(gè)過(guò)零點(diǎn)均對(duì)應(yīng)著一個(gè)換相點(diǎn),如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁通三次諧波與反電勢(shì)基波關(guān)系

反電勢(shì)三次諧波的檢測(cè)有兩種方法：一是在星形連接的繞組三端并聯(lián)一組星形連接電阻，兩個(gè)中性點(diǎn)之間的電壓即為三次諧波[6]。當(dāng)電機(jī)沒(méi)有引出中性點(diǎn)時(shí)，可以采用另一種方法——通過(guò)星形連接電阻的中性點(diǎn)和直流側(cè)中點(diǎn)之間電壓來(lái)獲得三次諧波[7]。

這種方法與直接反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法相比有更寬的運(yùn)行范圍，不需要濾波電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是在轉(zhuǎn)速很低時(shí)檢測(cè)到的三次諧波畸變嚴(yán)重，不能估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，所以在低速時(shí)需要額外起動(dòng)程序。

1.4 續(xù)流二極管法

續(xù)流二極管法[8]，通過(guò)檢測(cè)反并聯(lián)在功率管兩端的續(xù)流二極管的導(dǎo)通情況來(lái)確定電機(jī)的換相時(shí)刻。無(wú)刷直流電機(jī)在二二導(dǎo)通方式下，三相中總有一相是斷開(kāi)的，通過(guò)對(duì)逆變器功率管加以特殊時(shí)序的斬波控制信號(hào)，使電機(jī)繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通。當(dāng)斷開(kāi)相的反電勢(shì)過(guò)零時(shí)，與斷開(kāi)相功率管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過(guò)續(xù)流電流，通過(guò)對(duì)該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測(cè)就可以確定繞組反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

續(xù)流二極管法本質(zhì)上也是檢測(cè)繞組的反電動(dòng)勢(shì)，檢測(cè)靈敏度相對(duì)較高，在一定程度上拓寬了電機(jī)運(yùn)行范圍。但是該方法不僅具有反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法的所有缺點(diǎn)，而且還有如下缺點(diǎn)。

(1) 續(xù)流二極管法要求逆變器上下橋臂處于輪流導(dǎo)通的工作模式下，控制難度大。

(2) 需要對(duì)每個(gè)反并聯(lián)的續(xù)流二極管上加上電流檢測(cè)裝置，增加了成本和硬件電流的復(fù)雜度。

2 電感法

無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組電感是轉(zhuǎn)子位置和相電流的函數(shù)。通過(guò)對(duì)定子繞組施加高頻電壓脈沖，檢測(cè)產(chǎn)生的電流幅值大小就可以知道電感的差異，進(jìn)而判斷出轉(zhuǎn)子磁極所處的位置。這種方法在電機(jī)靜止或低速時(shí)具有較好的檢測(cè)效果，隨著轉(zhuǎn)速的增大，檢測(cè)誤差也越來(lái)越大，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)失步。此外，該方法需要頻繁的檢測(cè)繞組電感，實(shí)時(shí)性要求比較高，實(shí)現(xiàn)難度大。

3 磁鏈估計(jì)法

磁鏈估計(jì)法[9]是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電壓和電流參數(shù)來(lái)估算出磁鏈，再根據(jù)磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系估算出轉(zhuǎn)子位置。文獻(xiàn)[10]中利用兩個(gè)電流環(huán)來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置。其中外環(huán)用于位置的預(yù)測(cè)、估算和校正，內(nèi)環(huán)用最新預(yù)測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置來(lái)校正磁鏈計(jì)算。這種方法可以得到連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息，并且轉(zhuǎn)子的位置信息與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以從接近零速到高速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相，大大拓寬了電機(jī)運(yùn)行調(diào)速范圍，但該仍具有以下缺點(diǎn)。

(1) 這種方法計(jì)算磁鏈時(shí)需要知道電機(jī)的電感參數(shù)，而電感是一個(gè)與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的參數(shù)很難精確測(cè)量。

(2) 計(jì)算量太大，對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感。

4 狀態(tài)觀(guān)測(cè)器法

狀態(tài)觀(guān)察器法是以電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置角、電壓、電流等參數(shù)作為狀態(tài)變量，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)字濾波得到電機(jī)參數(shù)的離散值，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。狀態(tài)觀(guān)測(cè)器法能夠比較好的解決無(wú)刷直流電機(jī)重載、高速等情況下難以控制的問(wèn)題，同時(shí)有很強(qiáng)的抗干擾能力，能適應(yīng)各種惡劣的工作條件。但是狀態(tài)觀(guān)測(cè)器法需要大量的實(shí)時(shí)計(jì)算，這對(duì)微機(jī)的性能提出了較高的要求。正因如此，這種方法雖早已提出但應(yīng)用并不廣泛。隨著DSP等高性能芯片的推出，這種方法將得以更容易的實(shí)現(xiàn)。

5 其他無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法

除上述幾種方法外，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了其他一些無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)方法。如通過(guò)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的渦流法(將非磁性材料鋁片貼在轉(zhuǎn)子表面，通過(guò)檢測(cè)因該材料中渦流效應(yīng)造成的斷開(kāi)相電壓變化來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的方法)和電流法(根據(jù)電流波形決定換相時(shí)序的方法)等[11]。這些方法實(shí)現(xiàn)難度較大，檢測(cè)誤差比較大，只適用于一些特殊場(chǎng)合。

隨著控制理論的不斷發(fā)展，人工智能控制應(yīng)用在無(wú)位置傳感器控制中已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)。許多現(xiàn)代控制理論均被用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制中，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專(zhuān)家系統(tǒng)控制等。文獻(xiàn)[12]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將測(cè)量得到的相電壓、相電流數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置作為網(wǎng)絡(luò)輸出，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。利用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)估計(jì)磁鏈，并利用估計(jì)磁鏈和實(shí)際磁鏈的差值修改網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上修正轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。文獻(xiàn)[13]采用模糊控制算法來(lái)獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，利用電流觀(guān)測(cè)器來(lái)觀(guān)測(cè)電流，并利用實(shí)際電流和觀(guān)測(cè)電流的差值通過(guò)模糊邏輯函數(shù)估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置。這些方法在理論上還需要進(jìn)一步研究，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)還有一定困難。然而，隨著微處理器和DSP技術(shù)的發(fā)展和控制理論的不斷成熟，智能控制方法必將進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。

6 結(jié) 語(yǔ)

詳細(xì)介紹了多種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法，并分析比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。從目前來(lái)看，基于反電勢(shì)及其各種改進(jìn)修正方法還是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法。雖然這種方法在低速時(shí)的性能還有待提高，但是由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)控制器要求低，使得該方法成為無(wú)位置檢測(cè)方法中的主流。各種基于現(xiàn)代控制理論和微電子技術(shù)的先進(jìn)檢測(cè)算法方案雖然在調(diào)速范圍和精度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的反電勢(shì)法，但是其復(fù)雜的控制算法高性能的處理器要求，使得這些方法的成本比較高，只適用于對(duì)性能要求很高的場(chǎng)合。

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Summary on Rotor Position Detection Method for Brushless DC Motors

ZHAO Yi-heng1, GU Wei-kang2, CHEN Ya-bin2, CAO Xiang2

(1.XinjiangElectricalPowerEngineeringSupervisionCo.，Ltd,UrumchiXinjiang838000，China；2.SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096，China)

The brushless DC motor (BLDCM) is an advanced mechanical electronic device. Rotor position detection method is an important part of the BLDCM. Traditional method with position sensor is not suitable the need for the current applications because of its own shortcomings, so the position detection method has been the research hotspot recently. The basic principle and research situation of sensorless detection methods are introduced, and their advantages and disadvantages are compared. It provides a certain theoretical basis for researching on sensorless and has certain value.

brushless DC motor；sensorless；rotor position detection

2014-01-02

趙一衡(1984)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事電力工程監(jiān)理方面的工作。

TP23

A

1007-4414(2014)02-0195-03